In situ Röntgendiffraktion bei hohen Temperaturen und dilatometrische Analyse von CGO–Cu‑Verbundwerkstoffen für Festoxid‑Systeme

Verhindern, dass Hochtemperatur‑Energiegeräte Risse bekommen

Festoxid‑Brennstoffzellen und Elektrolyseure können Brennstoffe, Wasserdampf und sogar Kohlendioxid mit bemerkenswerter Effizienz in nützliche Energie und Chemikalien umwandeln – aber nur, wenn ihre keramischen und metallischen Bauteile beim Erhitzen und Abkühlen gemeinsam ausdehnen und zusammenziehen. Dieser Artikel untersucht eine neue Methode, um zu messen und vorherzusagen, wie eine vielversprechende Kupfer‑Ceria‑Verbundanode bei hohen Temperaturen wächst und schrumpft. Das hilft Ingenieuren, Geräte zu entwerfen, die länger halten und seltener versagen.

Warum das Anpassen der Ausdehnung wichtig ist

In Festoxid‑Systemen wird Strom erzeugt oder verbraucht in dünnen Schichten aus Keramik und Metall, die beim Betrieb bei 600–800 °C fest miteinander verbunden bleiben müssen. Wenn sich eine Schicht nur geringfügig stärker ausdehnt als die benachbarte, können mechanische Spannungen entstehen, die zu Rissen oder zum Ablösen der Elektrode vom Elektrolyten führen. Traditionelle Anoden auf Nickel‑Zirkonia‑Basis sind wirkungsvoll, jedoch anfällig für Kohlenstoffablagerungen und chemische Schädigung bei Nutzung realer Brennstoffe. Kupfer‑Ceria‑Verbundwerkstoffe bieten eine sauberere, günstigere Alternative – aber nur, wenn ihre thermische Ausdehnung gut zur von Ceria‑basierten Elektrolyten passt. Das Verständnis dieses Ausdehnungsabgleichs unter realistischen Betriebsbedingungen ist entscheidend, um robustere Festoxid‑Technologien bei niedrigeren Temperaturen auf den Markt zu bringen.

Eine neue Methode, um Materialien „atmen“ zu beobachten

Die Forschenden konzentrierten sich auf Verbunde aus gadoliniumdotierter Ceria (CGO), einem schnellen Sauerstoffionenleiter, und Kupfer, das elektrische Leitwege bereitstellt. Sie bereiteten eine Reihe von CGO–Cu‑Mischungen vor, die grob 40–70 % Ceria nach Volumen abdeckten, und formten sowie behandelten sie zu porösen Kermet‑Stäben, ähnlich realen Anoden. Anstatt thermische Ausdehnung und Kristallstruktur getrennt zu prüfen, kombinierten sie zwei leistungsfähige Methoden in einem einzigen Experiment: hochenergetische Synchrotron‑Röntgendiffraktion zur Verfolgung des atomaren Gitterabstands jeder Phase und Dilatometrie zur Messung der gesamten Längenänderung des Stabes beim Erhitzen und Abkühlen. Dieses in situ‑Aufbau erlaubte ihnen, sowohl das mikroskopische als auch das makroskopische „Atmen“ des Verbunds von Raumtemperatur bis 800 °C zu beobachten.

Was im Inneren des Verbunds passiert

Abbildungen und Zusammensetzungsanalysen zeigten, dass Kupfer nicht als isolierte Partikel verbleibt. Bei hohen Temperaturen und unter reduzierenden Bedingungen wird es hochmobil, bildet ein kontinuierliches oder halbkontinuierliches Metallnetz, benetzt Oberflächen und Korngrenzen der CGO‑Partikel und füllt Poren. Mit steigendem Kupferanteil nahm die Gesamtporosität ab und das Material wurde dichter, obwohl die Reduktion von Kupferoxid zu Metall zunächst zusätzliche Hohlräume schafft. Röntgen‑Raffinement zeigte, dass sowohl die CGO‑ als auch die Cu‑Kristallgitter durch ihre gegenseitigen Zwänge leicht verspannt sind und dass die CGO‑Körner feiner werden, wenn der CGO‑Anteil steigt. Diese mikrostrukturellen Details – Korngröße, Porosität und wie die beiden Phasen ineinandergreifen – beeinflussen stark, wie der Verbund sich beim Erhitzen ausdehnt.

Die optimale Zusammensetzung finden

Indem sie phasenspezifische Ausdehnung aus den Röntgendaten extrahierten und mit der Volumenausdehnung aus der Dilatometrie verglichen, zeigten die Forschenden, dass die thermische Ausdehnung nicht einfach dem Mittelwert der keramischen und metallischen Werte entspricht. Bei höheren Temperaturen führen zusätzliches Sintern und Porenschluss, überwiegend getrieben durch das mobile Kupfer entlang von Korngrenzen, zu einem leichten Schrumpfen des Verbunds, was die scheinbaren Ausdehnungsverläufe krümmt. Unter allen getesteten Mischungen stach eine hervor: Der 59:41‑CGO–Cu‑Verbund zeigte einen nahezu konstanten thermischen Ausdehnungskoeffizienten von der Raumtemperatur bis 800 °C mit minimalem Hochtemperaturschrumpfen. Seine gesamte Ausdehnung folgte eng den einfachen Mischungsregeln, was darauf hindeutet, dass mikrostrukturelle Veränderungen beim Erhitzen für dieses Verhältnis ungewöhnlich gering waren.

Was das für künftige Energiesysteme bedeutet

Für Nicht‑Fachleute ist das wichtigste Ergebnis, dass die Autorinnen und Autoren sowohl eine vielversprechende Materialzusammensetzung – CGO–Cu im Verhältnis 59:41 nach Volumen – als auch eine schnelle, vorhersagende Messstrategie identifiziert haben. Der kombinierte Röntgen‑ und Dilatometrie‑Ansatz zeigt nicht nur, wie stark sich ein Verbund ausdehnt, sondern auch, wie sich seine innere Struktur dabei entwickelt. Das ermöglicht die Konstruktion von Metall‑Keramik‑Elektroden, die sich synchron mit ihren Elektrolyten ausdehnen, wodurch das Risiko von Rissbildung und Delamination reduziert wird. Solche thermisch stabilen, kupferbasierten Kermets könnten Festoxid‑Brennstoffzellen und Elektrolyseure zuverlässiger bei niedrigeren Temperaturen betreiben lassen und so langlebigere Systeme ermöglichen, die Brennstoffe und Treibhausgase mit weniger Ausfallzeiten und längerer Lebensdauer in Strom und wertvolle Chemikalien umwandeln.

Zitation: Balaguer, M., Fabuel, M., Kriele, A. et al. In situ high temperature X-ray diffraction and dilatometric analysis of CGO–Cu composites for solid oxide devices. Sci Rep 16, 1315 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35161-w

Schlüsselwörter: Brennstoffzellen mit Festoxid, thermische Ausdehnung, Kermet‑Anoden, Synchrotron‑Röntgendiffraktion, Ceria‑Kupfer‑Verbundstoffe